具有柔性的高性能机器人软件平台关键技术研究

The key reason that the domestic industrial robots falls behind other leading countries lays on the disappointing performances on flexibility, rapidness, accuracy and stability. Therefore, it is really significant to improve operation quality, stability and efficiency of industrial robot by increasing the flexibility of software platform and enhancing the ability of the trajectory tracking. This project aims to develop a robot software platform with high performance and flexibility, including four core subsystems: machine vision-based model reconstruction and correction systems, simulation and offline programming system, Gigabit Ethernet real-time communication system and time optimal trajectory planner. Machine vision system obtains deviation information of model. Afterwards, simulation and offline programming systems figure out the revised path planning result according to the initial model and deviation information. The time optimal trajectory planner generates operation trajectory, namely periodic position planning instructions, based on online corrected operation trajectory. Finally, the motion controller sends the instructions to the servo system via Gigabit real-time network data communication system so as to track the desired trajectory. What’s more, specific applications and customized systems will be developed and the theory will be verified on this software platform. This software.platform will provide the basis for further optimization of the robot software platform.

工业机器人的“柔”、“快”、“准、“稳”问题，是我国国产工业机器人落后于国外的关键所在。提升工业机器人自主学习编程能力和轨迹跟踪能力，使得机器人作业质量稳定高效，具有十分重要的意义。本项目目标为设计开发具有柔性的高性能机器人软件平台，包含四大核心子系统：基于机器视觉的模型重建和校正系统、工业机器人自主学习编程系统、千兆硬实时通信系统、时间最优轨迹规划器。各子系统协同工作，机器视觉获取模型和特征偏差信息，工业机器人自主学习编程系统在初始模型尺寸的基础之上，结合偏差信息，给出修正后的路径规划结果。时间最优轨迹规划器根据在线纠偏的作业路径生成作业轨迹，即周期位置规划指令，运动控制器通过千兆硬实时网络通信系统将指令数据下发至伺服系统，最终完成期望轨迹的跟踪。在此软件平台上开发特定应用定制系统，对理论的正确性进行验证，同时为机器人软件平台的进一步优化提供依据。

本项目设计开发具有柔性的高性能工业机器人软件平台，并在此基础上开发特定应用定制系统。结合基于机器视觉的特征纠偏系统开发具有自主学习能力的仿真及离线编程平台，提升软件平台的柔性；采用基于动力学模型的Jerk 有界时间最优轨迹规划方法实现对机器人系统高速、高精、高稳定的控制；建立一套基于千兆实时工业以太网通用化通信平台，满足机器人控制系统对通信平台的硬实时、低抖动性、高速高可靠需求。.项目以OCCT为基础开发了仿真软件平台，实现机器人工作站建模及运动仿真，结合轨迹规划与后处理器解决机器人自主编程离线程序的关键问题。项目针对轨迹规划问题，利用 NSGA-Ⅱ对作业路径无碰撞、可达、平稳性、可操作性等多目标规划问题进行优化，基于可达性球、RRT-Connect等方法对空走路径进行规划与指令精简，并实现对双机器人协调运动规划。项目开发基于结构光的机器视觉建模系统及其自动标定方法，实现复杂场景中物体模型快速重建，并基于数字孪生方法实时矫正模型位姿，保持模型精度。项目建立了基于千兆以太网的低抖动、硬实时机器人通信软件平台，解决了工业千兆以太网的硬实时性问题和网络节点之间的时钟同步两大核心技术问题，研究了基于动力学模型的Jerk有界时间最优轨迹规划，成功开发了工业机器人运动控制器。.项目发表相关论文31篇，申请发明专利49项，实用新型专利2项，登记软件著作权6项。